Die Bedeutung guter Nachbarn in der Katalyse
Werden Sie von Ihren Nachbarn beeinflusst? Das gilt auch für Nanopartikel in Katalysatoren
Neue Forschungsergebnisse der Chalmers University of Technology, Schweden, die in den Zeitschriften Science Advances und Nature Communications veröffentlicht wurden, zeigen, wie die nächsten Nachbarn bestimmen, wie gut Nanopartikel in einem Katalysator wirken.
Nachbarschaftliche Zusammenarbeit bei der Katalyse. Zunächst werden eine Reihe von Kupfer-Nanopartikeln in einem gasgefüllten Nanoröhrchen isoliert. Dann messen die Forscher mit Licht, wie sie sich gegenseitig in dem Prozess beeinflussen, durch den Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid werden. Langfristiges Ziel der Forschung ist es, eine ressourceneffiziente "Nachbarschaftskooperation" zu finden, bei der möglichst viele Partikel gleichzeitig katalytisch aktiv sind.
David Albinsson/Chalmers University of Technology
"Langfristiges Ziel der Forschung ist es, 'Superpartikel' identifizieren zu können, um zu effizienteren Katalysatoren in der Zukunft beizutragen. Um die Ressourcen besser als heute zu nutzen, wollen wir auch, dass möglichst viele Partikel gleichzeitig aktiv an der katalytischen Reaktion teilnehmen", sagt Forschungsleiter Christoph Langhammer vom Fachbereich Physik an der Chalmers University of Technology.
Stellen Sie sich eine große Gruppe von Nachbarn vor, die sich zusammenfinden, um einen Gemeinschaftshof zu reinigen. Sie machen sich an die Arbeit, jeder trägt zu den Bemühungen der Gruppe bei. Das einzige Problem ist, dass nicht alle gleich aktiv sind. Während einige hart und effizient arbeiten, schlendern andere herum, unterhalten sich und trinken Kaffee. Wenn man nur auf das Endergebnis schaut, wäre es schwierig zu wissen, wer am meisten arbeitet und wer sich einfach entspannt. Um das festzustellen, müssten Sie jede Person den ganzen Tag über beobachten. Dasselbe gilt für die Aktivität von metallischen Nanopartikeln in einem Katalysator.
Die Jagd nach effektiveren Katalysatoren durch nachbarschaftliche Zusammenarbeit
Im Inneren eines Katalysators beeinflussen mehrere Partikel die Wirksamkeit der Reaktionen. Einige der Partikel in der Menge sind effektiv, während andere inaktiv sind. Aber die Partikel sind oft in verschiedenen "Poren" verborgen, ähnlich wie in einem Schwamm, und sind daher schwer zu untersuchen.
Um sehen zu können, was wirklich in einer Katalysatorpore geschieht, isolierten die Forscher der Chalmers University of Technology eine Handvoll Kupferpartikel in einem transparenten Glas-Nanoröhrchen. Wenn mehrere in dem kleinen, gasgefüllten Rohr versammelt sind, lässt sich untersuchen, welche Partikel unter realen Bedingungen was und wann tun.
Was in der Röhre passiert, ist, dass die Partikel mit einem einströmenden Gasgemisch aus Sauerstoff und Kohlenmonoxid in Kontakt kommen. Wenn diese Stoffe an der Oberfläche der Kupferpartikel miteinander reagieren, entsteht Kohlendioxid. Es ist die gleiche Reaktion, die auch bei der Abgasreinigung im Autokatalysator abläuft, nur dass dort anstelle von Kupfer häufig Platin-, Palladium- und Rhodiumpartikel zum Abbau des giftigen Kohlenmonoxids verwendet werden. Aber diese Metalle sind teuer und knapp, so dass Forscher nach ressourceneffizienteren Alternativen suchen.
"Kupfer kann ein interessanter Kandidat für die Oxidation von Kohlenmonoxid sein. Die Herausforderung besteht darin, dass Kupfer die Tendenz hat, sich während der Reaktion selbst zu verändern, und wir müssen in der Lage sein zu messen, welchen Oxidationszustand ein Kupferpartikel hat, wenn es im Katalysator am aktivsten ist. Mit unserem Nanoreaktor, der eine Pore im Inneren eines echten Katalysators nachahmt, wird dies nun möglich sein", sagt David Albinsson, Postdoktorand am Physikalischen Institut von Chalmers und Erstautor von zwei wissenschaftlichen Artikeln, die kürzlich in Science Advances und Nature Communications veröffentlicht wurden.
Jeder, der ein altes Kupferdach oder eine alte Kupferstatue gesehen hat, wird erkennen, wie das rötlich-braune Metall nach Kontakt mit der Luft und Schadstoffen bald grün wird. Ähnlich verhält es sich mit den Kupferpartikeln in den Katalysatoren. Deshalb ist es wichtig, sie zu einer effektiven Zusammenarbeit zu bewegen.
"Was wir jetzt gezeigt haben, ist, dass der Oxidationszustand eines Partikels während der Reaktion von seinen nächsten Nachbarn dynamisch beeinflusst werden kann. Die Hoffnung ist also, dass wir mit Hilfe einer optimierten nachbarschaftlichen Zusammenarbeit in einem Katalysator irgendwann Ressourcen sparen können", sagt Christoph Langhammer, Professor am Departement Physik von Chalmers.
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